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关键词： 开关磁阻电机   耳形结构   直接转矩控制   振动分析  

摘要： 在电动汽车工程领域,开关磁阻电动机(SRM)以其简洁的结构设计、卓越的扭矩输出、较低的经济成本效益及优异的能效比逐步获得研发者的关注。尽管如此,其固有的转矩脉动问题仍是技术研究的难点。因此降低转矩脉动对SRM的广泛应用具有重要意义。本文将从电机本体结构参数的优化,电机定、转子极齿形的改进设计,以及控制策略的联合仿真几个方面对电机进行优化设计以降低转矩脉动,最后结合振动分析模块对改进后的电机进行分析评价。 本文以一台四相8/6极SRM为例,深入剖析了其工作机制、数学表达以及控制机制,并对其电机结构参数进行了详细设计。之后,运用Maxwell2D工具对SRM的定转子极弧系数进行参数化分析。实现了电机设计的初步优化工作。 在上述基础上,为提升电机性能特性,尤其是在降低转矩脉动方面,设计了新型转子极,在电机转子齿的两侧增设了耳形结构。并对该耳形结构进行参数化研究,分析了其不同参数变化对平均转矩及转矩脉动系数的影响关系,完成了转子极的结构优化设计。仿真结果表明提出的耳形结构在有效抑制转矩波动的同时,对电机的平均转矩具有较小的负面影响。 其次,在Simulink环境下构建了直接转矩控制(DTC)模型,并整合了Maxwell中附加耳形结构的转子齿的电机磁链等数据,以实施联合仿真分析。仿真结果证明,结合所优化的电机结构与DTC控制策略,SRM的转矩脉动及其运行特性得到了显著的提升。 最后,结合振动分析模块,提取SRM径向电磁力的密度分布特征、定子的固有频率和振动模态。通过施加相应分布的径向电磁力至定子齿,快速获取了定子壳体整体形变及外壁中间节点加速度的时频域特性。

关键词： 电动汽车   多信号灯路口   绿波通行   最优控制   跟车经济驾驶  

摘要： 为了降低化石能源的消耗,迎合绿色、环保、低碳的发展理念,电动汽车已成为世界各国汽车行业的研究热点,但其电池技术瓶颈迟迟无法突破,为电动汽车的发展带来了阻力。目前,世界各国都在努力探索提升电动汽车续驶里程的方法,其中,通过降低电动汽车行驶能耗从而提升续驶里程的办法得到了广泛的关注。本文基于上述方法,针对智能网联电动汽车多信号灯路口的车速规划问题进行研究,分别讨论单车驾驶场景和跟车驾驶场景下的车速优化问题,根据行驶能耗模型建立车速优化目标并求解出最优车速轨迹,完成不同驾驶场景下的车速规划,具体工作内容如下: 1)完成了电动汽车整车的动力学分析与各部件的精确建模,并根据车辆纵向动力学模型建立整车行驶能耗模型。考虑到实际道路坡度影响车速规划结果,调取真实道路海拔数据包,采用三次样条插值法拟合道路海拔高度,根据拟合出的道路海拔高度曲线构建了道路坡度模型,为进一步实现车速规划奠定了基础。 2)实现了电动汽车单车驾驶场景多信号灯路口的绿波车速规划。首先依据信号灯相位与时序SPa T消息建立了信号灯模型,并采用可行绿灯窗口规划方法将信号灯相位信息转变为绿波车速限制,随后基于驾驶员不同的驾驶意图提出了能耗最优、时间最优、能耗-时间最优的车速优化问题,并将各优化问题按照距离域进行离散后采用动态规划算法进行求解,同时分析不同离散步长下的动态规划算法的求解效果,最后,将所得求解结果与定速巡航工况进行了仿真对比,结果表明:相比以绿波上限车速、绿波平均车速和绿波下限车速为巡航车速的定速巡航工况,能耗最优工况下的电量消耗分别降低了11.89%、5.37%和2.51%。 3)实现了电动汽车跟车驾驶场景多信号灯路口的绿波车速规划。首先,考虑行驶安全性,建立了跟车行驶安全跟车距离模型,然后将安全车距模型与前车行驶轨迹计算相结合,划分跟车驾驶阶段。根据阶段划分结果,分别构建单车行驶阶段、减速行驶阶段和跟车行驶阶段的车速优化问题。为提升计算效率,在第三章动态规划算法的基础上采用迭代动态规划算法求解各阶段最优车速,但由于减速行驶阶段末端时刻不固定,迭代动态规划算法失效,故采用连续动态规划算法对该阶段最优车速进行求解。最后,根据跟车多阶段车速优化结果对比常见跟车行驶工况,结果表明:相比于常见跟车行驶工况,跟车多阶段行驶工况的电池电量消耗降低了2.2%,但总行程时间有所增加。 4)搭建了电动汽车多信号灯路口绿波车速规划实验测试平台,制定了上、下层控制系统间的通讯协议,并根据机器人操作系统与QT开发出可实时显示测试平台运行状态和相关实验数据的交互界面。最后,基于测试平台与真实道路条件进行了电动汽车多信号灯路口绿波通行实验,验证了第三章和第四章所述方法的有效性。

关键词： 永磁同步电机   自抗扰控制   矢量控制   无传感控制  

摘要： 随着新能源汽车的快速发展,永磁同步电机凭借体积、质量和效率等方面的优势成为新能源汽车的主流驱动电机。电机控制策略是永磁同步电机驱动系统的核心技术,但由于电机运行环境复杂,存在负载扰动、参数摄动、噪声等因素影响电机控制性能,导致传统永磁同步电机控制算法难以满足当前高控制性能要求。自抗扰控制不依赖于受控对象的精确模型,且具有较好的抗干扰能力。因此,将自抗扰控制算法应用到永磁同步电机矢量控制中,设计改进自抗扰控制策略提升系统控制性能。 首先对永磁同步电机的结构进行分析建模,根据坐标变换原理构建不同坐标系的数学模型,在此基础上介绍永磁同步电机矢量控制的基本原理。简述了电机控制系统中存在的各种扰动及其影响,接着详细介绍了自抗扰控制的基本组成,并设计基于非线性自抗扰的永磁同步电机转速控制器。在分析扩张状态观测器和非线性函数不足的基础上,提出级联扩张状态观测器结构和newfal非线性函数,其中级联扩张状态观测器对扰动和噪声的抵抗能力更强,newfal函数输出更为平滑,其增益大小更符合工程应用。 然后,对永磁同步电机自抗扰多环控制技术开展研究,建立速度环和无传感控制均为自抗扰的矢量控制算法。为了提高系统抗扰动能力,引入降阶线性扩张状态观测器,并在此基础上设计嵌合降阶扩张状态观测器结构,进一步提高转速控制性能。基于自抗扰控制基本思想和定子电流方程将电机反电动势扩张成新的状态变量并设计自抗扰观测器观测反电动势,为了解决自抗扰观测器参数限制问题,提出变论域模糊自抗扰观测器算法,实时调节扩张状态观测器的参数,以此提高观测器对转子的估计精度。针对传统PI结构锁相环控制精度不足等问题,设计基于三阶扩张状态观测器的新型锁相环系统来提高转子位置和转速估计精度。 最后搭建了一套以TMS320F28335为主控芯片的永磁同步电机系统实验平台,分别设计了硬件的基础电路和软件算法,在实验平台中验证了本文所提控制方法的有效性和实用性。

关键词： 电动汽车   电池组均衡   无线电能传输   低阶补偿结构   高阶补偿结构   脉冲宽度调制   移相控制  

摘要： 随着电动汽车(Electric Vehicle;EV)行业的迅猛发展，电池组均衡技术在电动汽车中的作用日益凸显，其对于提升整体车辆性能具有关键性的影响。无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术是一种新兴的非接触式能量传输方式，在保证系统便捷性、安全性和高效率的前提下，能够在相对恶劣的环境中提供良好的供电可靠性。本文旨在将无线电能传输技术与电动汽车电池组均衡相结合进行研究，整合了无线电能传输与电池均衡两种技术的优点，利用磁耦合的无线电能传输系统对电池组进行实时均衡，为解决电动汽车电池组均衡问题提供了一种新的解决方案。　　首先，本文详细介绍了无线电能传输系统的基础结构及其工作原理，通过利用互感模型对四种低阶补偿结构（SS 型、SP 型、PP 型、PS 型）以及两种高阶补偿结构（LC-LC型、LCC-LCC型）进行了详细的建模与分析。论文考虑到电动汽车电池包内部结构的特点，采用了一种LCC-S-LCC型补偿网络的WPT拓扑，并深入分析了其工作机制。拓扑以三个电池组为例，研究了拓扑在不同工作状态下的输出表现，并归纳出了 n个电池组时的输出情况。此外，借助 Ansys/Maxwell 3D仿真工具和缩比模型，对两线圈和六线圈磁耦合机构的组内线圈的耦合程度和不同组别线圈的交叉耦合程度进行了分析。　　其次，本文对无线电能传输系统的 PWM 控制和移相控制两种功率控制方式进行分析，解释了两种控制方式的工作原理，探究了多个电池组处于放电状态时，发射模块H桥变换器交流侧电压的相位同步问题，并仿真验证两种控制方式的效果。同时深入阐述了基于WPT技术的电池组均衡控制策略，并通过MATLAB/Simulink搭建的三个电池组的仿真模型验证了均衡控制策略的可行性。　　最后，搭建了包含六个圆形平面线圈的电池组均衡系统实验平台，设计了以STM32F103C8T6 为微控制器的硬件电路。通过对实验与仿真结果对比可知，实验条件下的工作波形和输出表现与仿真情况基本一致，验证了 PWM 控制策略的可行性。实验表明，效率一般可达80%至85%，符合设计要求，展示了该均衡系统具有良好的性能表现。

关键词： 永磁同步电机   矢量控制   伺服驱动系统   自抗扰控制   数控系统  

摘要： 雕刻机、3D打印机、激光切割机等小型的数控（NC）系统在制造业中的应用日益广泛,其加工精度和效率对于提高产品质量、降低生产成本具有至关重要的意义。然而,受限于成本因素,当前小型数控系统多采用步进电机作为执行装置,随着制造业对产品质量和精度的要求日益提高,其局限性逐渐凸显,难以满足更高端、更复杂的加工需求。鉴于小型数控系统多使用2轴及以上电机,为进一步提高小型数控系统的性能,本文设计了一款双轴永磁同步伺服电机（PMSM）驱动器,主要的研究工作如下: （1）分析了永磁同步电机的结构和工作原理,建立了其数学模型,引入了矢量控制（FOC）策略,通过坐标变换实现电机模型的降阶和解耦,利用空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术控制逆变器的输出,确定了伺服驱动系统4)_(（9）=0的矢量控制方案,为后续设计与研究奠定了基础。 （2）提出了基于TMS320F28335控制器研制一款中低功率的双轴伺服驱动器,给出了伺服驱动器三相逆变电路、电流检测电路、位置检测电路、通信电路等硬件模块的设计方案。针对传统C语言软件代码开发复杂、效率低的问题,提出了基于模型设计（MBD）的方法进行伺服系统软件的开发,在Simulink中完成了双轴伺服驱动器代码生成模型的搭建。并构建了电机对拖实验平台,为后续算法验证和系统性能测试提供了可靠环境。 （3）针对传统PI控制器难以实现伺服系统在不同工况下高精度速度和位置控制的问题,引入了自抗扰控制（ADRC）算法,设计了基于线性自抗扰（LADRC）的伺服驱动系统速度和位置控制策略,有效提高了伺服系统动态性能。为进一步提高伺服位置控制性能、简化控制算法,提出了改进的双环位置控制策略,针对电流内环,引入递推最小二乘算法（RLS）精准辨识出电机实际参数,以实现伺服驱动系统电流环参数的自适应调整;针对位置外环设计了降阶线性自抗扰控制器（RLADRC）以提高伺服位置控制精度,简化控制器结构。实验结果表明,所提控制策略进一步提高了永磁同步伺服系统的动态性能和鲁棒性。 （4）将所设计的伺服驱动器应用于机床XY轴,构建了数控实验平台。通过实际加工测试,验证了所设计的双轴伺服驱动器具备高精度的位置控制能力,测试结果达到本文的设计预期,为小型数控系统提供了一种成本和性能兼顾的解决方案。

关键词： IGBT   SiC MOSFET   结温估计   键合线   状态监测  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管和碳化硅金属氧化物半导体场效应管作为应用最广泛的两类功率器件,已被广泛应用在新能源系统等众多领域。随着器件等级的提高,功率器件面临着不同形式的老化失效。IGBT模块因内部结温的持续波动易出现焊料层老化和键合线断裂的现象,而SiC MOSFET模块因SiC材料具有更宽的禁带宽度以及更高的界面陷阱密度,易出现阈值电压漂移的可靠性问题。论文以IGBT和SiC MOSFET两类功率模块作为研究对象,在模块结温预测、工作可靠性评估等方面开展研究。 1.介绍了IGBT的运行原理,对器件的机理进行分析。接着描述了模块常见的老化类型和热网络模型。 2.考虑到IGBT模块焊料层老化产生的空洞、裂纹会影响其寄生电容,进而影响其所在主电路的共模干扰信号,可通过IGBT模块所在的功率主电路的共模干扰信号监测其焊料层老化状态。根据监测到的共模干扰信号获取热网络模型的参数,利用参数自修正后的热网络模型计算得到精确结温。 3.提出了利用IGBT模块的阈值电压和p-n结正向电压两个热敏电参数所估计的结温差来监测其键合线的老化程度。由于热敏电参数测量的温度不能代表整个芯片的温度分布,芯片的温度梯度使得阈值电压估计的结温高于p-n结正向电压所估计的结温。当键合线脱落后,流经剩余键合线的电流会增大,芯片表面温度和整体温度梯度升高,使得这两种热敏感电参数方法测得的温差变大。 4.分析了SiC MOSFET导通电阻的组成部分及温敏性,研究偏压温度不稳定性对芯片漏源极通态电阻的影响机制,提出了用SiC MOSFET芯片漏源极通态电阻去监测由结温和BTI耦合引起的阈值电压漂移。通过芯片漏源极通态电阻直接获得漂移后的阈值电压。

关键词： 永磁同步电机   滑模变结构控制   滑模控制器   滑模观测器  

摘要： 永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)凭借高动态性能、高效率和较广的调速范围等突出优点,在新能源汽车领域中获得了广泛应用,已成为该领域驱动电机的理想选择。矢量控制是目前PMSM控制技术中极为高效的一种控制方法,优化矢量控制方法以提升PMSM的控制精度,是当前PMSM控制领域的主要研究方向之一。本文将滑模变结构控制算法高效地应用到PMSM的矢量控制中,来提高PMSM的控制精度。 首先,建立了PMSM在三种坐标系下的数学模型,讨论了空间矢量脉宽调制方法的原理以及实现过程,构建了基于PI控制器的PMSM矢量控制系统模型,在Simulink仿真平台验证了其可行性。 其次,针对PMSM矢量控制调速系统,研究了一种分数阶终端滑模控制方法。该控制方法采用改进的滑模趋近律,有效缩短了系统状态趋近滑模面的时间,并将分数阶微积分理论应用到滑模面的设计中,削弱了滑模控制过程中的高频抖振,提升了矢量控制系统的动态品质以及抗干扰能力。在Simulink仿真平台验证了分数阶终端滑模控制方法的正确性和有效性。 再次,针对PMSM无位置传感器矢量控制系统,研究了一种自适应超螺旋滑模观测器方法。在观测器的设计中采用了改进的连续控制函数τ(s)和超螺旋算法,削弱了控制过程中的高频抖振,提高了系统的动态性能。同时,对滑模增益参数进行自适应调整,使其跟随转速变化自动调节,解决了滑模增益固定导致PMSM调速范围受限的问题,提高了滑模观测器的观测精度。在Simulink仿真平台验证了自适应超螺旋滑模观测器方法的可行性和有效性。 最后,搭建了PMSM无位置传感器矢量控制实验平台,对所研究的自适应超螺旋滑模观测器方法进行了实验验证。设计了基于STM32F103RCT6主控芯片的PMSM控制实验硬件电路,编写了基于改进观测器的软件程序并下载至实验验证电路。实验结果表明,改进滑模观测器在观测PMSM转子位置信息精度上明显优于滑模观测器。

关键词： 光伏逆变器   功率开关管   IGBT   卷积神经网络   注意力机制  

摘要： 据统计我国光伏发电产业远超预期,未来光伏应用市场将继续维持高位运行态势。光伏发电系统内部元器件类型复杂,运行稳定性相比于传统发电系统较差。因此建立完善的光伏发电系统的监控与诊断系统是整个光伏产业需要解决的问题。本文对光伏发电系统中两电平光伏逆变器的绝缘栅双极型晶体管开路故障进行研究,研究内容如下: 搭建了光伏发电系统模型,利用追踪最大功率电路和闭环控制电路等方法对电压、电流、功率等电气量的幅值、相位、频率等指标进行控制,并通过总谐波失真指标验证了实验中搭建的光伏发电系统符合标准。通过窗口记录直流侧电流数据,并进行数据采集。 针对电流数据复杂不利于提取有效特征的问题,首先对数据进行预处理,利用经验模式分解把数据分解为有限数量的本征模函数和残差项之和。通过主成分分析法把数据简化到仅有若干个含有原始数据重要有效信息的主成分。针对提取时间序列数据特征时需要考虑前后变化量的关系问题,通过卷积神经网络提取数据特征,利用长短时记忆神经网络对时间序列的优秀推理能力来提升诊断准确性。通过对比实验表明,模型在测试集准确率和训练集损失率方面的性能更好。 针对光伏发电系统的工作环境会受到噪声影响导致诊断准确率下降的问题,利用注意力机制使模型能关注数据中的有效信息和舍弃无效信息,对于时间序列的数据,注意力机制将有效信息赋予高权重,把无效信息赋予低权重,并且不断调整权重,以适应在各种条件下选取重要信息。然后权重矩阵与原始数据通过运算得到新数据特征,最后通过分类器进行诊断。在此基础上,加入贝叶斯寻优算法,对模型中的超参数进行调参。不断优化目标函数,并在较少的尝试次数内找到超参数的全局最优解。实验结果表明,模型在无噪声环境下与不同噪声环境下的各性能指标均得到提升。